オプトメカニクス：カーボンナノチューブの実時間振動
Nature 566, 7742 doi: 10.1038/s41586-018-0861-0
小型機械振動子の分野は急速に進化しており、信号処理、生物学的検出、量子力学の基礎的検証など、新しい応用が生まれつつある。機械振動子の寸法が分子スケールまで小さくなると、カーボンナノチューブ共振器に見られるように、それらの振動は次第に結合して強く相互作用するようになり、ついには弱い熱ゆらぎでさえ振動子を非線形にする可能性が出てくる。このスケールの機械は多様なダイナミクスを示すが、その動きを実時間で効率的に検出する方法がないため、調べられていない。今回我々は、マイクロメートルスケールの高フィネス窒化ケイ素光共振器を高感度フォトニック顕微鏡として用いて、カーボンナノチューブの熱振動を実時間で直接測定した。700 fm Hz−1/2という高い変位感度と高い時間分解能を有するこの手法を用いることで、これまでの時間平均測定では検出されなかった領域のダイナミクスと、以前の報告と比べてほぼ3桁長い室温コヒーレンスが発見できた。我々は、コヒーレンスの不一致が、非線形系に見られるFermi–Pasta–Ulam–Tsingouの再帰現象に類似した長時間非平衡ダイナミクスに起因することを見いだした。今回のデータは、振動エネルギーがいくつかの共鳴モード間で再帰的に分配されるややカオス的な機械的ブリーザーの出現を明らかにしており、こうしたダイナミクスは単純な数値モデルを用いて再現された。今回の実験は、ブラウン運動の極限における（すなわち、系が熱ゆらぎによってのみ駆動される場合の）非線形機械系を研究する道を開くとともに、カーボンナノチューブ共振器向けの高感度高帯域幅集積ナノフォトニック・インターフェースを提示するものである。
